CN113054628A - 一种mos管过流保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MOS管过流保护系统，包括电流采样单元、电流有效值转换单元、比较输出单元、控制单元；所述电流有效值转换单元的输入端连接至所述电流采样单元，所述电流有效值转换单元包含若干线性转换模块，所述电流有效值转换单元用于根据所述负载电流的大小区间导通相应的线性转换模块并输出计算值，根据所述负载电流的大小导通的线性转换模块的伏安特性曲线与实际的电信号二次函数曲线拟合；所述比较输出单元的输入端连接至所述电流有效值转换单元的输出端，所述比较输出单元比较所述计算值与第一阈值，并在所述计算值大于所述第一阈值时发出第一控制信号；控制单元，用于接收到所述第一控制信号后断开MOS管。

Description

一种MOS管过流保护系统
技术领域
本发明涉及过流保护系统领域，具体指有一种MOS管过流保护系统。
背景技术
目前以MOS管作为执行机构的AC-AC交流调压器，由于MOS管开关切相将使负载的电流波形畸变，当接容性负载或短路时MOS管开通时将有瞬间大电流流过。瞬态冲击电流和稳态电流有效值将引起的MOS热损坏。
有些电子调光器采用NTC或温度保险丝检测MOS管的温度来限制MOS负载，该方式受环境温度影响较大很难精确限制负载的电流。对于接通有容性负载或短路的MOS管，瞬间冲击电流的保护多数采用峰值检测电路输出信号与MOS管驱动信号进行逻辑与来关闭MOS管，当故障持续存在时该保护方式将使MOS故障状态下反复快速的通断，增加开关损耗，进一步加剧MOS的发热。
部分过流保护系统引入电流有效值检测芯片，该芯片一般为专用芯片，价格昂贵，电流有效值为被测电流信号的均方根值，需要对采样的电流值进行平方、积分、取平均、开根号四次运算，对控制单元的采样率及运算能力都有较大的要求。
针对上述的现有技术存在的问题设计一种MOS管过流保护系统是本发明研究的目的。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种MOS管过流保护系统，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种MOS管过流保护系统，包括电流采样单元、电流有效值转换单元、比较输出单元、控制单元，
所述电流采样单元连接至负载回路，用于获取负载电流；
所述电流有效值转换单元的输入端连接至所述电流采样单元，所述电流有效值转换单元包含若干线性转换模块，所述电流有效值转换单元用于根据所述负载电流的大小区间导通相应的线性转换模块并输出计算值，根据所述负载电流的大小导通的线性转换模块的伏安特性曲线与实际的电信号二次函数曲线拟合；
所述比较输出单元的输入端连接至所述电流有效值转换单元的输出端，所述比较输出单元比较所述计算值与第一阈值，并在所述计算值大于所述第一阈值时发出第一控制信号；
控制单元，用于接收到所述第一控制信号后断开MOS管。
进一步地，若干所述线性转换模块的电信号转换曲线由若干折线组成，若干所述折线的斜率依次增加，且每一所述折线与其对应的实际电流的电信号二次函数曲线相切。
进一步地，所述电流有效值转换单元包含由运算放大器组成的电流检测电路，所述电流检测电路由若干分压电阻组成，若干所述分压电阻分别设置有二极管，所述二极管根据所述电流检测电路的输出电压依次导通，所述电流检测电路根据不同数量的导通的所述分压电阻提供不同的线性转换曲线。
进一步地，所述电流检测电路进一步包含偏压电容，所述偏压电容设置于所述二极管的正极端，所述偏压电容对线性转换单元的输出信号进行积分，并根据若干所述分压电阻分别对所述二极管产生不同的偏压，所述输出电压大于相应的偏压时，相应的分压电阻及相应的二极管被导通。
进一步地，进一步包含瞬间大电流锁存单元，所述瞬间大电流锁存单元的输入端连接至所述电流采样单元，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬间大电流锁存单元持续发出第二控制信号。
进一步地，所述瞬间大电流锁存单元包含瞬态大电流判断单元和锁存单元，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬态大电流判断单元发出所述第二控制信号，所述锁存单元用于持续所述第二控制信号。
进一步地，进一步包含控制信号输出单元，所述控制信号输出单元包含第一控制信号输入端和第二控制信号输入端，所述第一控制信号输入端连接至所述比较输出单元的输出端，所述第二控制信号输入端连接至所述的瞬间大电流锁存单元输出端，所述控制信号输出单元在接收到第一控制信号或第二控制信号后输出第三控制信号，所述控制单元接收到所述第三控制信号后断开MOS管。
进一步地，所述瞬态大电流判断单元包含三极管，所述三极管的基极通过采样电阻连接至所述电流采样电路，所述锁存单元包含RS触发器，所述三极管的发射极连接至RS触发器的S端，所述RS触发器的R端用于接收所述驱动信号。
进一步地，所述驱动信号为PWM信号。
进一步地，所述电流有效值转换单元用于根据所述负载电流的大小区间依次导通相应数量的线性转换模块。
因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
本发明通过若干线性转换模块的设置，将原本需要计算模块进行计算的运算能力通过模拟电路实现，得到接近电流实际有效值的计算值，本实施例将负载回路对应的伏安特性曲线进行分段、线性化，所述电流有效值转换单元只需根据负载电流的大小区间导通相应的电信号转换模块即可快速通过该线性转换电路得到一个与电流实际有效值接近且相关联的计算值，即可减轻控制单元的算力负担，而且完全消除了控制单元计算电流有效值所需的计算时间，通过模拟电路实现上述功能，大大降低了控制单元计算所带来的时间延迟，能够及时、有效、快速地得到电流有效值，从而令后续的电路及时关闭MOS管，防止MOS管烧毁。
本发明进一步提供瞬间大电流检测，防止在电流瞬间发生突变的情况下，电流有效值转换单元输出的计算值可能还未超过比较输出单元的第一阈值的情况发生，并且提供锁存功能，对第二信号进行锁存，以提供持续的第二信号，可以有效延长控制单元关闭MOS管的时间，一来可以延长MOS管的关闭时间，二来可以防止控制单元在多个瞬间大电流的情况下频繁开关MOS管。同时通过所述瞬间大电流锁存单元关闭所述MOS管并锁存一个PWM周期，可以进一步避免反复开关MOS管。
本发明所述线性转换模块的电信号转换曲线由若干折线组成，若干所述折线的斜率依次增加，且每一所述折线与其对应的实际电流的电信号二次函数相切，可以令转换后的电信号的伏安特性曲线尽可能的与目标二次函数拟合，从而得到更接近实际的计算值，关联性强，并且减少数字控制单元的计算负担，能够更快地得到计算值。
应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
图1为本发明的功能框架图。
图2为电流有效值转换单元的功能框架图。
图3为电信号转换曲线图。
图4为电流有效值转换单元的电路图。
图5为输入电压有效值于电容电压Uc的关系曲线。
图6为瞬间大电流锁存单元的功能框架图。
图7为瞬态大电流判断单元的电路图。
图8为RS触发器的真值表。
图9为控制信号输出单元的电路图。
图10为实施例一的电路图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：
参考图1，一种MOS管过流保护系统，包括电流采样单元、电流有效值转换单元、比较输出单元、瞬间大电流锁存单元、控制信号输出单元、控制单元，
所述电流采样单元连接至负载回路，用于获取负载电流；本实施例中，如图2所示的电路，采用检流电阻接入交流负载回路，对交流负载电流进行采样，从而获得负载电流。
所述电流有效值转换单元的输入端连接至所述电流采样单元，所述电流有效值转换单元包含若干线性转换模块，参考图2，所述电流有效值转换单元用于根据所述负载电流的大小区间导通相应的线性转换模块并输出计算值，根据所述负载电流的大小导通的线性转换模块的伏安特性曲线与实际的电信号二次函数曲线拟合；根据电流有效值定义
Figure BDA0002988602470000061
电流有效值为被测电流信号的均方根值。需要对采样的电流值进行平方、积分、取平均、开根号四次运算，对控制单元的采样率及运算能力都有较大的要求，本实施例中，将原本需要控制单元(例如MCU)进行计算的运算能力通过模拟电路实现，得到接近电流实际有效值的计算值，本实施例将负载电流对应的二次函数进行进行分段、线性化，得到如图3所示的，与电信号二次函数曲线拟合的伏安特性曲线，其中，每一分段对应一个线性转换模块，所述电流有效值转换单元只需根据负载电流的大小区间导通相应的电信号转换模块，例如负载电流大小的区间在A-B区间，则所述电流有效值转换单元对应导通A-B区间对应的线性转换模块，从而得到与电信号二次函数相拟合的线性转换电路，即可快速通过该线性转换电路得到一个与电流实际有效值接近且相关联的计算值。
所述比较输出单元的输入端连接至所述电流有效值转换单元的输出端，所述比较输出单元比较所述计算值与第一阈值，并在所述计算值大于所述第一阈值时发出第一控制信号；
所述瞬间大电流锁存单元的输入端连接至所述电流采样单元，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬间大电流锁存单元持续发出第二控制信号；所述电流有效值转换单元用于计算平均电流有效值，但是，在电流瞬间发生突变的情况下，电流有效值转换单元输出的计算值可能还未超过比较输出单元的第一阈值，因此本实施例加入瞬间大电流锁存单元，用于捕获瞬态大电流突变并发出持续的第二控制信号。
控制单元，用于接收到所述第一控制信号或所述第二控制信号后断开MOS管。
进一步地，若干所述线性转换模块的电信号转换曲线由若干折线组成，若干所述折线的斜率依次增加，且每一所述折线与其对应的实际电流的电信号二次函数曲线相切。
进一步地，参考图4，所述电流有效值转换单元包含由运算放大器U5A组成的电流检测电路，所述电流检测电路由若干分压电阻R4、R6、R8、R11、R20组成，若干所述分压电阻分别设置有二极管D3、D4、D5、D6，所述二极管根据所述电流检测电路的输出电压依次导通，所述电流检测电路根据不同数量的导通的所述分压电阻提供不同的线性转换曲线。
进一步地，所述电流有效值转换单元用于根据所述负载电流的大小区间依次导通相应数量的线性转换模块。
进一步地，所述电流检测电路进一步包含偏压电容C1，所述偏压电容C1设置于所述二极管的正极端，所述偏压电容C1对线性转换单元的输出信号进行积分，并根据若干所述分压电阻分别对所述二极管产生不同的偏压，所述输出电压大于相应的偏压时，相应的分压电阻及相应的二极管被导通。
具体地，电流检测电路放大负载电流，并且负载电流在各个分压电阻产生分压，各个分压电阻的分压是根据负载电流动态变化的，当各个分压电阻的分压大于其对应的二极管的导通压降，则相应的二极管导通，并在电容C1上产生一个偏置电压。例如，负载电流对应于图3中的0-A段，则二极管D3导通，负载电流对应于图3中的A-B段，则二极管D3、D4导通，负载电流对应于图3中的B-C段，则二极管D3、D4、D5导通…以此类推。根据分压电阻的特定选择，使得电流检测电路对0-A段的电信号转换曲线与0-A段的电信号二次函数曲线拟合，使得电流检测电路对A-B段的电信号转换曲线与A-B段的电信号二次函数曲线拟合…以此类推。
上述电路的原理为：
假设电路器件均为理想元器件，当输入一个周期性信号e1(t)电路最终会进入稳态，电容C1上保持一个稳定的电压Uc1，此时电容电压Uc1分别给二极管D3、D4、D5、D6产生一个偏置电压:
A:Uc1(R11+R20)/(R11+R20+R4)
B:Uc1
C:Uc1(R12+R8+R4)/(R12)
D:Uc1(R20+R11+R4)/(R20)。
当e1(t)电压大于该偏置电压时二极管将依次导通电路的伏安特性曲线发生变化呈现多段折线。
对于不同的输入信号e(t)在电容所产生的电压Uc不同，但所拟合的各段折线的斜率是一样的，在不做误差分析的情况下假设各段折线于所拟合抛物线与该五条折线均相切。对于不同的输入信号e(t)所拟合的抛物线，即为过原点开口大小不同的抛物线。
易证得：
K1*Uc1＝K2*Uc2＝K3*Ucl＝M(常数)；参考图5，
设：电流的充电电流i＝ke2(t)；电容总的放电电阻为R。
K*Uc＝M(常数)
Figure BDA0002988602470000091
Figure BDA0002988602470000092
Figure BDA0002988602470000093
Figure BDA0002988602470000094
Figure BDA0002988602470000095
即输入电压有效值于电容电压Uc呈线性关系，电路能够实时的反应当前输入电压的有效值。
进一步地，参考图6，所述瞬间大电流锁存单元包含瞬态大电流判断单元和锁存单元，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬态大电流判断单元发出所述第二控制信号，所述锁存单元用于持续所述第二控制信号。
进一步地，参考图7，所述瞬态大电流判断单元包含三极管Q2(NPN型)，所述三极管Q2的基极通过采样电阻R2连接至所述电流采样电路，所述锁存单元包含RS触发器(U1和U2组成)，所述三极管Q2的发射极连接至RS触发器的S端，所述RS触发器的R端用于接收所述驱动信号。当S1或S2端有一个瞬间大电流到达时，三极管Q2导通，Fault端电平被拉高，得到一个瞬间的信号，具体可参考图8所示的真值表。并且，OCP端连接至控制单元，控制单元检测OCP端的电平情况，当为低电平时控制单元立刻切断MOS管。正常工作时触发器反向输出端/Q输出高电平，PWM输出高电平MOS管打开时，若采样电阻的电压超过三级管Q2的导通压电压时三极管导通Fault被拉低，U1和U2组成的基本RS触发器的反向输出端输出低电平，并与PWM信号进行逻辑与，MOS驱动信号将被关闭直到RS触发器被复位，本设计的RS触发器复位周期为驱动MOS管的PWM周期。
该方式可以在检测到瞬态峰值电流过大时快速关断MOS管，避免MOS工作在超出SOA的范围，同时MOS管驱动信号关闭输出以后要到触发器被重新复位才能再次开启，该方式可防止MOS在大电流状态下反复开断产生的开关损耗使MOS管温度快速上升而损坏，同时该状态会被反馈给控制器，当检测到多次异常状态时控制器将关闭PWM输出。
进一步地，所述驱动信号为PWM信号，并且，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬间大电流锁存单元关闭所述MOS管并锁存一个PWM周期。
进一步地，参考图9，所述控制信号输出单元包含第一控制信号输入端(三极管Q3的基极)和第二控制信号输入端(三极管Q4的基极)，三极管Q3和三极管Q4的集电极和发射极并联，所述第一控制信号输入端连接至所述比较输出单元的输出端，所述第二控制信号输入端连接至所述的瞬间大电流锁存单元输出端，所述控制信号输出单元在接收到第一控制信号或第二控制信号后输出第三控制信号，所述控制单元接收到所述第三控制信号后断开MOS管。具体地，三极管Q3和三极管Q4组成一个类似或门的功能，平时OCP端为高电平，当有任意一个控制信号到达，OCP端被拉低为低电平。
本实施例的完整电路图如图10所示，其具体工作原理已在上述具体描述，其中包括电流采样单元M1、电流有效值转换单元M2、比较输出单元M3、瞬间大电流锁存单元M4、控制信号输出单元M5、MOS管驱动单元M6。图中，OCP端连接至控制单元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种MOS管过流保护系统，包括电流采样单元、电流有效值转换单元、比较输出单元、控制单元，其特征在于：
所述电流采样单元连接至负载回路，用于获取负载电流；
所述电流有效值转换单元的输入端连接至所述电流采样单元，所述电流有效值转换单元包含若干线性转换模块，所述电流有效值转换单元用于根据所述负载电流的大小区间导通相应的线性转换模块并输出计算值，根据所述负载电流的大小导通的线性转换模块的伏安特性曲线与实际的电信号二次函数曲线拟合；
所述比较输出单元的输入端连接至所述电流有效值转换单元的输出端，所述比较输出单元比较所述计算值与第一阈值，并在所述计算值大于所述第一阈值时发出第一控制信号；
控制单元，用于接收到所述第一控制信号后断开MOS管。
2.根据权利要求1所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：若干所述线性转换模块的电信号转换曲线由若干折线组成，若干所述折线的斜率依次增加，且每一所述折线与其对应的实际电流的电信号二次函数曲线相切。
3.根据权利要求1-2任意一条所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：所述电流有效值转换单元包含由运算放大器组成的电流检测电路，所述电流检测电路由若干分压电阻组成，若干所述分压电阻分别设置有二极管，所述二极管根据所述电流检测电路的输出电压依次导通，所述电流检测电路根据不同数量的导通的所述分压电阻提供不同的线性转换曲线。
4.根据权利要求3所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：所述电流检测电路进一步包含偏压电容，所述偏压电容设置于所述二极管的正极端，所述偏压电容对线性转换单元的输出信号进行积分，并根据若干所述分压电阻分别对所述二极管产生不同的偏压，所述输出电压大于相应的偏压时，相应的分压电阻及相应的二极管被导通。
5.根据权利要求1所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：进一步包含瞬间大电流锁存单元，所述瞬间大电流锁存单元的输入端连接至所述电流采样单元，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬间大电流锁存单元持续发出第二控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：所述瞬间大电流锁存单元包含瞬态大电流判断单元和锁存单元，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬态大电流判断单元发出所述第二控制信号，所述锁存单元用于持续所述第二控制信号。
7.根据权利要求6所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：进一步包含控制信号输出单元，所述控制信号输出单元包含第一控制信号输入端和第二控制信号输入端，所述第一控制信号输入端连接至所述比较输出单元的输出端，所述第二控制信号输入端连接至所述的瞬间大电流锁存单元输出端，所述控制信号输出单元在接收到第一控制信号或第二控制信号后输出第三控制信号，所述控制单元接收到所述第三控制信号后断开MOS管。
8.根据权利要求6所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：所述瞬态大电流判断单元包含三极管，所述三极管的基极通过采样电阻连接至所述电流采样电路，所述锁存单元包含RS触发器，所述三极管的发射极连接至RS触发器的S端，所述RS触发器的R端用于接收所述驱动信号。
9.根据权利要求6所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：所述驱动信号为PWM信号，并且，当所述负载电流大于第二阈值，所述瞬间大电流锁存单元关闭所述MOS管并锁存一个PWM周期。
10.根据权利要求1所述的一种MOS管过流保护系统，其特征在于：所述电流有效值转换单元用于根据所述负载电流的大小区间依次导通相应数量的线性转换模块。
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